將競(jìng)賽類成果應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)的探索

摘要：控制專業(yè)的設(shè)計(jì)類課程是為了讓學(xué)生更好地提高實(shí)際動(dòng)手設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力，但由于缺乏實(shí)物，往往都流于紙面。因此探索將智能車競(jìng)賽成果經(jīng)過合理優(yōu)化，應(yīng)用于此類課程。通過實(shí)際的教學(xué)改革和多班次的授課成果證明，此種方式可以讓更多的學(xué)生汲取競(jìng)賽里的實(shí)踐真知，令其充分提高專業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和解決實(shí)際問題的動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：課程；競(jìng)賽成果；優(yōu)化；實(shí)踐教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）30-0089-02

高等教育要求培養(yǎng)出的大學(xué)生不僅僅具有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、良好的身心素質(zhì)，更要求其能夠具備相當(dāng)?shù)膶?shí)踐動(dòng)手能力和一定的創(chuàng)新能力，使其步入社會(huì)后能夠具備一定的競(jìng)爭(zhēng)能力。[1]尤其對(duì)于部隊(duì)院校學(xué)員，畢業(yè)后多數(shù)派入基層部隊(duì)從事軍事指揮和設(shè)備實(shí)操等相關(guān)工作，因此，更是要求學(xué)員在院校期間就敢于動(dòng)手、樂于動(dòng)手、精于動(dòng)手。

為此，從2007年開始，教研室對(duì)承擔(dān)的自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制、單片機(jī)原理等課程拓展了其實(shí)踐課程，即在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)之前、在學(xué)完多數(shù)專業(yè)課之后開設(shè)一門40學(xué)時(shí)的“控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”，此課程通過較全面的控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，使學(xué)員完成控制理論認(rèn)知、驗(yàn)證到工程實(shí)踐的成長(zhǎng)過程，拓寬學(xué)員知識(shí)面，提高其對(duì)控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的能力及創(chuàng)新能力。

本課程授課之初安排了幾次設(shè)計(jì)性課程，如單級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究與仿真、爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、魚缸溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。這些題目均要求學(xué)生在分析了控制需求后，能夠進(jìn)行系統(tǒng)的建?；蚴抢L制出硬件原理圖，并對(duì)模型進(jìn)行仿真或是對(duì)硬件圖進(jìn)行相應(yīng)的編程調(diào)試。這樣的安排模式確實(shí)能夠使學(xué)生對(duì)原先枯燥的課本知識(shí)有一個(gè)醍醐灌頂?shù)男Ч缹W(xué)習(xí)的理論究竟是如何應(yīng)用的實(shí)際研究對(duì)象上。由于課時(shí)所限，40學(xué)時(shí)的課時(shí)最多能讓學(xué)生做到仿真和軟件調(diào)試階段，根本不可能做出實(shí)物，這樣使得學(xué)生的實(shí)踐能力僅僅還停留在仿真的階段。

自2010年開始，海軍航空工程學(xué)院開始組織學(xué)生參與飛思卡爾智能車大賽，并由教研室承擔(dān)比賽的組織和培訓(xùn)工作。競(jìng)賽可以從一定程度上帶動(dòng)部分學(xué)生的實(shí)踐能力，這一點(diǎn)在眾多高校中得到了驗(yàn)證，如陸杰、武麗等的文章所述。[2-8]但是競(jìng)賽畢竟只是針對(duì)少數(shù)能力較強(qiáng)的學(xué)生，而眾多普通的學(xué)生往往由于畏難情緒等各種原因而放棄了這一鍛煉動(dòng)手能力的機(jī)會(huì)。因此可以考慮將這樣一種競(jìng)賽的成果經(jīng)過優(yōu)化應(yīng)用到教學(xué)上，裘君[9]在其文章中對(duì)于這一思想作出了理論闡述。由此在海軍航空工程學(xué)院參加了兩屆飛思卡爾比賽，積累了一定的成績(jī)和培訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)之后，為了解決“控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”在學(xué)時(shí)上和培養(yǎng)實(shí)踐能力上的沖突，并更好地利用競(jìng)賽成果，探索將競(jìng)賽成果應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)，使得這樣一種競(jìng)賽所帶來的優(yōu)勢(shì)不僅僅作用在少數(shù)能力較強(qiáng)的學(xué)生身上，而且將競(jìng)賽成果進(jìn)行簡(jiǎn)化，讓多數(shù)能力普通的學(xué)生一樣可以汲取到這種競(jìng)賽所帶來的實(shí)踐上的養(yǎng)分。

一、探索

眾所周知，飛思卡爾智能車比賽對(duì)于尚處本科階段或者是從來沒有進(jìn)行過動(dòng)手實(shí)踐的學(xué)生來說是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。需要參賽的學(xué)生分析競(jìng)賽的要求，根據(jù)需求改造車模、設(shè)計(jì)硬件電路板及傳感器的布局，并根據(jù)硬件電路進(jìn)行軟件編程與調(diào)試。涉及到的知識(shí)涵蓋了自動(dòng)控制原理、單片機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制、汽車工程等多個(gè)學(xué)科。如何將這樣一個(gè)成果轉(zhuǎn)化為40學(xué)時(shí)的課時(shí)內(nèi)容，使得學(xué)生既能吃得飽又不至于無法消化呢？

1.人員的分組

飛思卡爾比賽自第五屆開始一直分為光電組、攝像頭組、電磁組。光電組多使用紅外對(duì)管或激光管（第八屆之前），攝像頭組主要是使用CCD攝像頭或者CMOS攝像頭，電磁組主要是使用電磁感應(yīng)線圈等磁場(chǎng)傳感器去檢測(cè)帶電導(dǎo)線周圍相應(yīng)電磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。

海軍航空工程學(xué)院在參加完兩屆后，保留下這三種類別共6輛競(jìng)賽用車。在本課程改革的第一年試點(diǎn)中使用其中的三輛，分別為光電車、攝像頭車和電磁車。試點(diǎn)中的第一個(gè)專業(yè)為測(cè)控工程，人數(shù)為20人。在授課之前由教員簡(jiǎn)要介紹三種車所使用的路徑檢測(cè)的原理，以及軟件、硬件的主要側(cè)重點(diǎn)，而后以學(xué)生意愿為主，分為10組，每組兩人，其中光電車四組、攝像頭和電磁各三組。

2.課程內(nèi)容和學(xué)時(shí)安排

如前所述，本門課面向的對(duì)象為控制類專業(yè)大三的本科生，本身已修完“自動(dòng)控制原理”“單片機(jī)原理及應(yīng)用”“C語言”等主干課程，因此對(duì)于課程內(nèi)容所涉及到的單片機(jī)及編程類的知識(shí)需要合理優(yōu)化，避免占用過多的課時(shí)而影響了實(shí)踐性這一要求。課程的安排要避免由零到整的常規(guī)教學(xué)思路，應(yīng)遵循先整體后部分的規(guī)律，強(qiáng)調(diào)如何應(yīng)對(duì)需求、問題，提出具體的解決方法這一思路。具體的課程安排可見表1。

課程之初先用2個(gè)學(xué)時(shí)來介紹飛思卡爾智能車競(jìng)賽的相關(guān)背景，以及結(jié)合實(shí)車分析智能車主要的系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。這樣一種整體的框架非常重要，有助于學(xué)生較快地把握要研究對(duì)象的整體結(jié)構(gòu)。對(duì)于智能車的機(jī)械改裝和優(yōu)化，如前后輪參數(shù)等內(nèi)容可以弱化，之后可用2個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間對(duì)智能車的主要組成部分及電路插線，如傳感器部分、舵機(jī)、光電編碼器、主控板等進(jìn)行隨意的拆卸、組裝，以加深對(duì)智能車主體構(gòu)成的映像。對(duì)于如光電檢測(cè)、電磁、攝像頭、S-D5型號(hào)舵機(jī)、歐姆龍編碼器等傳感器的原理及接線說明，可以安排2個(gè)學(xué)時(shí)的自學(xué)時(shí)間。

表1 課程安排

序號(hào)課題學(xué)時(shí)

講課自學(xué)實(shí)操小時(shí)

1智能車大賽的背景

智能車主要構(gòu)成√ 2

2拆裝智能車主要結(jié)構(gòu) √2

3傳感器原理及接線 √ 2

4S12單片機(jī)（主講PLL，PWM，TIM模塊）√ 2

5S12單片機(jī)（自學(xué)PIT、IO、ATD、SCI模塊）√ 2

6硬件電路原理及接線√ 2

7PCB電路及接線 √2

8CodeWarrior的使用 √ 2

9-10編程-初始化及周期中斷部分 √4

11-12編程-信息采集部分 √4

13計(jì)算機(jī)控制中的PID的編程原理√ 2

14-15編程-速度PID的控制 √4

16-17編程-舵機(jī)PID的控制 √4

18-19實(shí)車調(diào)試 √4

20答辯 √2

接下來，需要講解智能車的主控部分，即XS128芯片的功能及用法。由于智能車上所用已為單片機(jī)最小系統(tǒng)，而且課時(shí)所限，因此這里的講解不再遵循一般上課時(shí)對(duì)于單片機(jī)課程的做法，依次從嵌入式概述講起，到芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)、匯編語言、尋址、各功能模塊，最后綜合實(shí)例，而是依然遵循先整體-后部分的原則，如圖2所示，先簡(jiǎn)要介紹XS128的引腳、結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器大小及映射，而后只講解智能車上需要用到的模塊。在講解各模塊時(shí)，也并不是枯燥地去灌輸各模塊內(nèi)寄存器的用法，而是針對(duì)具體的程序語言學(xué)習(xí)寄存器的設(shè)置，如在講解鎖相環(huán)模塊時(shí)，如圖3所示，通過列出步驟讓學(xué)生便于理解，并對(duì)需要設(shè)置的寄存器加以講解。依照這樣的模式可以依次講解PWM模塊及TIM模塊，并安排學(xué)生自學(xué)剩下的若干模塊。

硬件電路的設(shè)計(jì)部分對(duì)于學(xué)生的要求不高，一則PCB的制作也是一門專門的學(xué)科，不可能在這么短的時(shí)間掌握。另外，重新設(shè)計(jì)電路意味著所有的硬軟件都需重新制作，這樣又回到之前這門課的矛盾上。因此對(duì)于這一部分由教員主講各模塊電路原理圖的原理及接線，學(xué)生則需要自己將原理圖與實(shí)際硬件電路板對(duì)應(yīng)起來。

在充分理解了軟件需求與硬件功能的前提下，軟件的編程就可以順利展開。當(dāng)然，不同的芯片所要求的編譯環(huán)境不盡相同，但都較為類似，因此可以利用已經(jīng)掌握的各模塊代碼去自學(xué)使用CodeWarrior的編譯環(huán)境。此時(shí)多數(shù)學(xué)生對(duì)智能車功能的實(shí)現(xiàn)都了然于胸，想嘗試去編制代碼，但又不知從何入手。因此教員對(duì)于這一部分可采取由部分至整體這一循序漸進(jìn)的方式，把整個(gè)代碼部分分為初始化部分、中斷部分、信息采集部分、PID控制部分等。對(duì)于PID部分，盡管學(xué)生事先接觸過，但由于其重要性，需要再次分析PID三個(gè)參數(shù)的控制作用，以及講解數(shù)字式PID算法及其改進(jìn)，如增量式PID、帶死區(qū)的PID算法等。

二、實(shí)踐

對(duì)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課程作了如上改革后，于2012年秋季對(duì)測(cè)控工程專業(yè)進(jìn)行了試點(diǎn)，至今有六個(gè)班次200余人按照上述的改革內(nèi)容完成了課程，實(shí)驗(yàn)車輛也隨著智能車比賽的積累而擴(kuò)展到了電磁直立、光電直立車。課程結(jié)束后所有學(xué)生均對(duì)智能車的構(gòu)造、電路、程序有了充分的認(rèn)識(shí)，甚至部分學(xué)生對(duì)此類設(shè)計(jì)產(chǎn)生了濃厚興趣，重新參加了來年的智能車競(jìng)賽及電子設(shè)計(jì)大賽，獲得了優(yōu)異的成績(jī)。在整個(gè)過程中學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)加強(qiáng)，實(shí)踐能力得到了鍛煉，并將其發(fā)揮到了其他科技活動(dòng)與競(jìng)賽中，綜合素質(zhì)有了很大的提高。

三、結(jié)語

實(shí)踐證明，參與競(jìng)賽可以讓少數(shù)的學(xué)生受益，而將競(jìng)賽類成果經(jīng)過優(yōu)化應(yīng)用于廣泛的教學(xué)中，可以用最低的成本、最優(yōu)化的資源讓更多的學(xué)生掌握從工程實(shí)踐的角度設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力，培養(yǎng)其日后從事科學(xué)、技術(shù)的研究能力，激發(fā)他們?cè)诠ぷ鲘徫簧系膭?chuàng)新與探索潛能，有利于高等教育和軍隊(duì)院校實(shí)踐類教學(xué)的改革，可以為社會(huì)培養(yǎng)出會(huì)動(dòng)腦更能動(dòng)手的高素質(zhì)人才。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）